Cấu trúc dữ liệu và giải thuật I - Bài 3

Chia sẻ: Nguyễn Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:26

Thêm vào BST

Báo xấu

105
lượt xem 20
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

pháp Sắp xếp cơ bản Mục tiêu Các phương Giới thiệu một số phương pháp sắp xếp cổ điển có độ phức tạp N 2. Cài đặt các giải thuật sắp xếp Ðánh giá các phương pháp sắp xếp cổ điển .

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Cấu trúc dữ liệu và giải thuật I - Bài 3

Bài 3 : Các phương pháp Sắp xếp cơ bản Mục tiêu Giới thiệu một số phương pháp sắp xếp cổ điển  có độ phức tạp N 2. Cài đặt các giải thuật sắp xếp  Ðánh giá các phương pháp sắp xếp cổ điển .  Nội dung  Ðịnh nghĩa bài toán sắp xếp  Các phương pháp sắp xếp N2  Phương pháp Chọn trực tiếp  Phương pháp Chèn trực tiếp  Phương pháp đổi chỗ trực tiếp  Phương pháp nổi bọt - Bubblesort  Phương pháp nổi bọt cải tiến - Shakesort Bài tập 
Bài tập lý thuyất  Bài tập thực hành
I. Ðịnh nghĩa bài toán sắp xếp Sắp xếp là quá trình xử lý một danh sách các phần tử (hoặc các mẫu tin) để đặt chúng theo một thứ tự thỏa mãn một tiêu chuẩn nào đó dựa trên nội dung thông tin lưu giữ tại mỗi phần tử. Tại sao cần phải sắp xếp các phần tử thay vì để nó ở dạng tự nhiên (chưa có thứ tự) vốn có ? Ví dụ của bài toán tìm kiếm với phương pháp tìm kiếm nhị phân và tuần tự đủ để trả lời câu hỏi này. Khi khảo sát bài toán sắp xếp, ta sẽ phải làm việc nhiều với một khái niệm gọi là nghịch thế. Khái niệm nghịch thế:  Xét một mảng các số a0, a1, . an. Nếu có i aj, thì ta gọi đó là một nghịch thế. Mảng chưa sắp xếp sẽ có nghịch thế. Mảng đã có thứ tự sẽ không chứa nghịch thế. Khi đó a0 sẽ là phần tử nhỏ nhất rồi đến a1, a2, . a0  a1  .  an Như vậy, để sắp xếp một mảng, ta có thể t ìm cách giảm số các nghịch thế trong mảng này bằng cách hoán vị các cặp phần tử ai, aj nếu có i aj theo một qui luật nào đó. Cho trước một dãy số a1 , a2 ,... , aN được lưu trữ trong cấu trúc dữ liệu mảng int a[N]; Sắp xếp dãy số a1 , a2 ,... ,aN là thực hiện việc bố trí lại các phần tử sao cho hình thành được dãy mới ak1 , ak2 ,... ,akN có thứ tự ( giả sử xét thứ tự tăng) nghĩa là aki  aki-1. Mà để quyết định được những t ình huống cần thay đổi vị trí các phần tử trong dãy, cần dựa vào kết quả của một loạt phép so sánh. Chính vì vậy, hai thao tác so sánh và gán là các thao tác cơ bản của hầu hết các thuật toán sắp xếp. Khi xây dựng một thuật toán sắp xếp cần chú ý t ìm cách giảm thiểu những phép so sánh và đổi chỗ không cần thiết để tăng hiệu quả của thuật toán. Ðối với các dãy số được lưu trữ trong bộ nhớ chính, nhu cầu tiết kiệm bộ nhớ được đặt nặng, do vậy những thuật toán sắp xếp đòi hỏi cấp phát thêm vùng nhớ để lưu trữ dãy kết quả ngoài vùng nhớ lưu trữ dãy số ban đầu thường ít được quan tâm. Thay vào đó, các thuật toán sắp xếp trực tiếp trên dãy số ban đầu - gọi là các thuật toán sắp xếp tại chỗ - lại được đầu tư phát triển.
Phần này giới thiệu một số giải thuật sắp xếp từ đơn giản đến phức tạp có thể áp dụng thích hợp cho việc sắp xếp nội. Các phương pháp sắp xếp N2 II. Sau đây là một số phương pháp sắp xếp thông dụng sẽ được đề cập đến trong giáo trình này:  Chọn trực tiếp - Selection sort  Chèn trực tiếp - Insertion sort  Binary Insertion sort  Ðổi chỗ trực tiếp - Interchange sort  Nổi bọt - Bubble sort  Shaker sort  Shell sort  Heap sort  Quick sort  Merge sort  Radix sort Trong đó, chúng ta sẽ lần lượt khảo sát các thuật toán trên. các thuật toán như Interchange sort, Bubble sort, Shaker sort, Insertion sort, Selection sort là những thuật toán đơn giản dễ cài đặt nhưng chi phí cao . Các thuật toán Shell sort, Heap sort, Quick sort, Merge sort phức tạp hơn nhưng hiệu suất cao hơn nhóm các thuật toán đầu. cả hai nhóm thuật toán trên đều có một điểm chung là đều được xây dựng dựa trên cơ sở việc so sánh giá trị của các phần tử trong mảng (hay so sánh các khóa t ìm kiếm). Riêng phương pháp Radix sort đại diện cho một lớp các thuật toán sắp xếp khác hẳn các thuật toán trước. Lớp thuật toán này không dựa trên giá trị của các phần tử để sắp xếp. Phương pháp chọn trực tiếp 1. Giải thuật  Ta thấy rằng, nếu mảng có thứ tự, phần tử ai luôn là min(ai, ai+1, ., an-1). Ý tưởng của thuật toán chọn trực tiếp mô phỏng một trong những cách sắp xếp tự nhiên nhất trong thực tế: chọn phần tử nhỏ nhất trong N phần tử ban đầu, đưa phần tử này về vị trí đúng là đầu dãy hiện hành; sau đó không quan tâm đến nó nữa, xem dãy hiện hành chỉ còn N-1 phần tử của dãy ban đầu, bắt đầu từ vị trí thứ 2; lặp lại quá trình trên cho dãy hiện hành... đến khi dãy hiện hành chỉ còn 1 phần tử. Dãy ban đầu có N phần tử, vậy tóm tắt ý tưởng thuật toán là thực hiện N-1 lượt việc đưa phần tử nhỏ nhất trong dãy hiện hành về vị trí đúng ở đầu dãy. Các bước tiến hành như sau :
Bước 1: i = 1;  Bước 2: Tìm phần tử a[min] nhỏ nhất trong dãy hiện hành từ a[i] đến  a[N] Bước 3 : Hoán vị a[min] và a[i]  Bước 4 : Nếu i  N-1 thì i = i+1; Lặp lại Bước 2  Ngược lại: Dừng. //N-1 phần tử đã nằm đúng vị trí. Ví dụ  Cho dãy số a: 12 2 8 5 1 6 4 15
Cài đặt  Cài đặt thuật toán sắp xếp chọn trực tiếp thành hàm SelectionSort void SelectionSort(int a[],int N ) { int min; // chỉ số phần tử nhỏ nhất trong dãy hiện hành
for (int i=0; i
Cho dãy ban đầu a1 , a2 ,... ,an, ta có thể xem như đã có đoạn gồm một phần tử a1 đã được sắp, sau đó thêm a2 vào đoạn a1 sẽ có đoạn a1 a2 được sắp; tiếp tục thêm a3 vào đoạn a1 a2 để có đoạn a1 a2 a3 được sắp; tiếp tục cho đến khi thêm xong aN vào đoạn a1 a2 ...aN-1 sẽ có dãy a1 a2.... aN được sắp. Các bước tiến hành như sau : Bước 1: i = 2; // giả sử có đoạn a[1] đã được sắp  Bước 2: x = a[i]; Tìm vị trí pos thích hợp trong đoạn a[1] đến a[i-  1] để chèn a[i] vào Bước 3: Dời chỗ các phần tử từ a[pos] đến a[i-1] sang phải 1 vị trí  để dành chổ cho a[i] Bước 4: a[pos] = x; // có đoạn a[1]..a[i] đã được sắp  Bước 5: i = i+1;  Nếu i  n : Lặp lại Bước 2. Ngược lại : Dừng. Ví dụ  Cho dãy số a: 12 2 8 5 1 6 4 15
Dừng Cài đặt  Cài đặt thuật toán sắp xếp chèn trực tiếp thành hàm InsertionSort void InsertionSort(int a[], int N ) { int pos, i; int x;//lưu giá trị a[i] tránh bị ghi đè khi dời chỗ các phần tử. for(int i=1 ; i
while((pos >= 0)&&(a[pos] > x)) {// kết hợp dời chỗ các phần tử sẽ đứng sau x trong dãy mới a[pos+1] = a[pos]; pos--; } a[pos+1] = x];// chèn x vào dãy } } Nhận xét  Khi tìm vị trí thích hợp để chèn a[i] vào đoạn a[0] đến a[i-1], do đoạn đã được sắp, nên có thể sử dụng giải thuật tìm nhị phân để thực hiện việc tìm vị trí pos, khi đó có giải thuật sắp xếp chèn nhị phân : void BInsertionSort(int a[], int N ) { int l,r,m,i; int x;//lưu giá trị a[i] tránh bị ghi đè khi dời chỗ các phần tử. for(int i=1 ; i
Số phép so sánh Số phép gán Trường hợp Tốt nhất Xấu nhất Phương pháp đổi chỗ trực tiếp 3. Giải thuật  Như đã đề cập ở đầu phần này, để sắp xếp một dãy số, ta có thể xét các nghịch thế có trong dãy và làm triệt tiêu dần chúng đi. Ý tưởng chính của giải thuật là xuất phát từ đầu dãy, tìm tất cả nghịch thế chứa phần tử này, triệt tiêu chúng bằng cách đổi chỗ phần tử này với phần tử tương ứng trong cặp nghịch thế. Lặp lại xử lý trên với các phần tử tiếp theo trong dãy. Các bước tiến hành như sau : Bước 1 : i = 1;// bắt đầu từ đầu dãy  Bước 2 : j = i+1;//tìm các phần tử a[j] < a[i], j>i  Bước 3 :  Trong khi j  N thực hiện Nếu a[j]
Cài đặt  Cài đặt thuật toán sắp xếp theo kiểu đổi chỗ trực tiếp thành hàm InterchangeSort: void InterchangeSort(int a[], int N ) { int i, j; for (i = 0 ; i
Xấu nhất Phương pháp nổi bọt (Bubble sort) 4. Giải thuật  Ý tưởng chính của giải thuật là xuất phát từ cuối (đầu) dãy, đổi chỗ các cặp phần tử kế cận để đưa phần tử nhỏ (lớn) hơn trong cặp phần tử đó về vị trí đúng đầu (cuối) dãy hiện hành, sau đó sẽ không xét đến nó ở bước tiếp theo, do vậy ở lần xử lý thứ i sẽ có vị trí đầu dãy là i . Lặp lại xử lý trên cho đến khi không còn cặp phần tử nào để xét. Các bước tiến hành như sau : Bước 1 : i = 1; // lần xử lý đầu tiên   Bước 2 : j = N; //Duyệt từ cuối dãy ngược về vị trí i Trong khi (j < i) thực hiện: Nếu a[j]N-1: Hết dãy. Dừng Ngược lại : Lặp lại Bước 2. Ví dụ  Cho dãy số a: 12 2 8 5 1 6 4 15
Cài đặt  Cài đặt thuật toán sắp xếp theo kiểu nổi bọt thành hàm BubbleSort: void BubleSort(int a[], int N ) { int i, j; for (i = 0 ; ii ; j --) if(a[j]< a[j-1]) // nếu sai vị trí thì đổi chỗ Hoanvi(a[j],a[j-1]); }
Ðánh giá giải thuật  Ðối với giải thuật nổi bọt, số lượng các phép so sánh xảy ra không phụ thuộc vào tình trạng của dãy số ban đầu, nhưng số lượng phép hoán vị thực hiện tùy thuộc vào kết qủa so sánh, có thể ước lược trong từng trường hợp như sau : Trường Số lần so sánh Số lần hoán vị hợp Tốt nhất 0 Xấu nhất Nhận xét  BubbleSort có các khuyết điểm sau: không nhận diện được tình trạng dãy đã có thứ tự hay có thứ tự từng phần. Các phần tử nhỏ được đưa về vị trí đúng rất nhanh, trong khi các phần tử lớn lại được đưa về vị trí đúng rất chậm. Phương pháp nổi bọt cải tiến (Shake sort) 5. Giải thuật  Giải thuật sắp xếp ShakerSort cũng dựa trên nguyên tắc đổi chỗ trực tiếp, nhưng tìm cách khắc phục các nhược điểm của BubleSort với những ý tưởng cải tiến chính như sau : Trong mỗi lần sắp xếp, duyệt mảng theo 2 lượt từ 2 phiá khác nhau : + Lượt đi: đẩy phần tử nhỏ về đầu mảng + Lượt về: đẩy phần tử lớn về cuối mảng Ghi nhận lại những đoạn đã sắp xếp nhằm tiết kiệm các phép so sánh thừa. Các bước tiến hành như sau : Ý tưởng chính của giải thuật là xuất phát từ cuối (đầu) dãy, đổi chỗ các cặp phần tử kế cận để đưa phần tử nhỏ (lớn) hơn trong cặp phần tử đó về vị trí đúng đầu (cuối) dãy hiện hành, sau đó sẽ không xét đến nó ở bước tiếp theo, do vậy ở lần xử lý thứ i sẽ có vị trí đầu dãy là i . Lặp lại xử lý trên cho đến khi không còn cặp phần tử nào để xét. Các bước tiến hành như sau :
Bước 1 :  //từ l đến r là đoạn cần được sắp xếp l = 1; r = n; // ghi nhận vị trí k xảy ra hoán vị sau cùng k = n; // để làm cơ sở thu hẹp đoạn l đến r Bước 2 :  Bước 2a :  j = r ; // đẩy phần tử nhỏ về đầu mảng Trong khi (j > l) : Nếu a[j]a[j+1]:a[j]  a[j+1]; k = j;//lưu lại nơi xảy ra hoán vị j = j+1; r = k; //loại các phần tử đã có thứ tự ở cuối dãy  Bước 3 : Nếu l < r: Lặp lại Bước 2. Ví dụ  Cho dãy số a: 12 2 8 5 1 6 4 15